• Nie Znaleziono Wyników

Stabilizator impulsowy o dużym zakresie zmian napięcia wyjściowego

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Stabilizator impulsowy o dużym zakresie zmian napięcia wyjściowego"

Copied!
7
0
0

Pełen tekst

(1)

ZESZYTY BA«K0»3 POLITKC;głIKI ŚLĄSKIEJ Seria: AUTOMATYKA z. 35

_______1976 Nr kol. 480

Henryk KOLKA

Dariusz CYGAITKIKWICS Jon DEBUDAJ

STABILIZATOR IMPULSOWY O DUŻYM ZAKRESIE ZMIAK NAPIĘCIA V,'YJŚCIOWEGO

Streszczenie. '!! artykułu przedstawiono proclercy występujące przy projektowaniu stabilizatorów impulsowych o dużyrc zakresie zmian na­

pięć wejściowego i wyjściowego, a także wysokiej wartości napięcia wyjściowego. Zaproponowane rozwiązanie tych problemów na przykła­

dzie budowy stabilizatora impulsowego redukującego napięcie wprost z sieci.

Zasada impulsowej regulacji znajduje coraz szersze zastorew/anie we współ­

czesnych rozwiązaniach stabilizatorów napięcia i prądu stałego. i'-,zwala ona na realizację układów, których wymiary, sprawność energetyczna i cię­

żar są znacznie mniejsze od tych, które oparte były o zasadę ciągłej regu­

lacji napięcia.

Jedną z właściwości tych układów jest możliwość uzyskania ć iżego za­

kresu dopuszczalnych zrcian napięcia wyjściowego. Możliwy jest tu także szeroki zakres zmian napięcia wejściowego oraz duży poziom składowej zmien­

nej na filtrzo wejściowym. Jednak projektowanie tych układów, których na­

pięcie wejściowe jest rzędu kilkudziesięciu wolt, nie jest proste,a także wymaga zastosowania nowych rozwiązań układowych, gwarantujących poprawność pracy całego stabilizatora. Tym zagadnieniom poświęcone będą przedstawio­

ne w pracy rozważania, szerzej omówione w pracy [b].

Prawidłowy dobór elementów stabilizatora i jego punktu pracy musi za­

pewnić poprawność jego działania tak w stanie ustalonym, jak i w stanach przejściowych, co jest rozpatrzone w pracach £2] , [^3] , [6].

Z powyższych warunków wynika między innymi konieczność zapewnienia w układzie:

a) impulsowego ograniczenia maksymalnej wartości prądu klucza,

b) poprawnej pracy klucza tranzystorowego Iprzy dużym zakresie zmian Uwe i Uwy).

Rozwiązanie pierwszego problemu jest bardzo istotne z tego względu, że tak przy załączeniu układu do sieci, jak i przy jego dociążeniu występu­

ją stany przejściowe, w trakcie których może być znacznie przekroczona do­

puszczalna wartość prądu klucza tranzystorowego. Kależy się tu również li­

czyć z możliwością wystąpienia na kluczu tranzystorowym impulsu mocy rzę­

du od kilkuset W do kilku k\V.

(2)

Także w etanie ustalonym układy takie nie mogą pracować, w warunkach, U zad

gdy jest R-<T f . Rozwiązanie tych zagadnień jest możliwe w przypad- 0 o dop

ku zastosowania dwóch sprzężeń zwrotnych o charakterystyce przekaźnikowej;

a) napięciowego - działa ono tak jak w klasycznym stabilizatorze impulso­

wym z regulatorem dwupołożeniowym. Stan klucza zależy tu od tego, jaka jest wartość napięcia wyjściowego podanego na wejście regulatora.

Stabilizator pracuje z tym sprzężeniem zwrotnym, o ile jest IQ< IQ b) prądowego - działa ono wówczas, gdy prąd klucza tranzystorowego osiąga

swoją dopuszczalną wartość. W tym pr-.ypadku układ rozpoczyna pracę z impulsowym ograniczeniem prądu.

Należy zaznaczyć, że projektowany układ winien być tak zrealizowany,by w całym zakresie pracy zachował stałą wartość stosunku składowej zmien­

nej napięcia wyjściowego, do jego wartości średniej.

Koncepcja takiego rozwiązania jest pokazana na rys. 1.

104_________________________________ H, Kolka, D. C.ygar.kiewicz, J. Debudaj

U we

^rrro— uinnn- i

USP

n

Rp

i

Cs

Oe

* —

U wy Jflo

Ro

USK

r

n

U oxqcL

Rys. 1. Struktura stabilizatora impulsowego

USP - człon przekaźnikowy sprzężenia prądowego, USN - człon przekaźnikowy sprzężenia napięciowego, K - klucz tranzystorowy, USK - układ sterowania

klucza

(3)

Stabilizator Impuaowy o dużym zakresie zmian napięcia. 105

Drugi zaznaczony we wstępie problem, tzn. zapewnienie poprawności pra­

cy klucza tranzystorowego jest równie złożony. Trudności z jakimi można się tu spotkać to:

a) zapewnienie poprawnej pracy klucza tranzystorowego tak w stanie nasy­

cenia, jak i odcięcia, w szerokim zakresie napięć wejściowych i wyj­

ściowych lUwe e <180-250>V, Uwye<50-150>V)j

b) zapewnienie jak najmniejszych strat mocy na przełączanie,co osiąga się przy odpowiednio stromych i zmieniających się równocześnie zboczach na­

pięcia i prądu kolektorowego klucza tranzystorowego.

Rozwiązanie tego zagadnienia pokazano na rys. 2, na podst. pracy [7 ].

Zaproponowano tu wykorzystanie transformatora impulsowego do przenoszenia impulsu sterującego. Napięcie wejściowe ma kształt prostokątny i otrzymane jest z układu sprzężenia zwrotnego.

Jeżeli biegunowość napięcia U ’ oraz U" jest taka, jak to pokazano na rys. 2, to równocześnie odbywa się:

a) wysterowanie klucza złożonego z tranzystorów T1 oraz Tg-Prądowy im­

puls sterujący tranzystor Tg jest kształtowany przy pomocy kondensa­

tora C.j oraz rezystora R^,

b) ładowanie kondensatora Cg w obwodzie U", Cg, R^, Dg.

(4)

Uwaga i napięcia +5 V i —20 V oznaczono względem potencjału +Uo

(5)

Stabilizator impusowy o dużym zakresie zmian napięcia. 107

Jeżeli biegunowości napięć U' oraz U" zmienią się na przeciwne to na­

stępuje nasycenie tranzystora i pojawia się ujemne napięcie pomiędzy bazą a emiterem klucza. Pozwala to na zmniejszenie czasu przeciągania prą­

du kolektorowego i na zwiększenie stromości opadania zbocza tego prądu, a więc wpływa na zwiększenie sprawności.

Pełny schemat omawianego zasilacza impulsowego jest pokazany na rys.3.

V/ układzie tym napięcie wejściowe jest uzyskiwane w wyniku jednopołówko- wego prostowania napięcia zmiennego jednofazowego. Stwierdzono;iż dla po­

prawnej pracy układu wystarcza zastosowanie filtru pojemnościowego.

W zakresie normalnej pracy układu, (tj. gdy pracuje on jako stabiliza­

tor napięciowy), moment załączenia i wyłączenia klucza jest wypracowany przez sprzężenie zwrotne napięciowe, zrealizowane w oparciu- o komparator LM311.

Prądowe sprzężenie zwrotne oparte jest w swej budowie o przerzutnik Schmitta w wersji scalonej typu SN 7413. Aby zapewnić poprawność pracy u- kładu (zgodnie z postawionymi wymaganiami),należało znacznie zawęzić stre­

fę histerezy tego przerzutnika, co zrealizowano przez odpowiednie połącze­

nie dwóch przerzutników z bramkami NAND.

Współpracę dwóch sprzężeń zwrotnych można opisać na przykładzie docią­

żenia stabilizatora. Załóżmy, iż stabilizator został skokowo obciążony o- U

pornością RQ taką, że jest spełniony warunek ",Cy > 1Q ¿0p- Wówczas, tak jak w każdym stabilizatorze impulsowym, nastąpi wyładowywanie konden­

satora sterownika C0 prądem I0 lt) = - IRo(t) + Ij/t). Obniżający się poziom napięcia wyjściowego U utrzymuje poprzez USN klucz tranzysto­

rowy w stanie nasyconym. Powoduje to wzrost prądu do jego dopu­

szczalnej wartości i spadek napięcia na rezystorze Rp osiąga wartość rów­

ną progowi zadziałania przekaźnikowego sprzężenia prądowego i w efekcie zostaje odłączony klucz tranzystorowy. W dalszej kolejności ustali się ta­

ki stan, że U ('t) będzie poniżej poziomu zadziałania napięciowego sprzę­

żenia zwrotnego, a momenty załączenia i wyłączenia klucza będą wyznaczone przez poziomy załączenia i wyłączenia prądowego, przekaźnikowego sprzęże­

nia zwrotnego. Ta idea została zrealizowana w układzie pokazanym na ry­

sunku 3 w wyniku odpowiedniego połączenia ze sobą wyjść obydwu sprzężeń zwrotnych. Pewne opracowania dotyczące projektowania impulsowych stabili­

zatorów napięcia można znaleźć w literaturze [l],[4], [i].

Wnioski końcowe

1. Przeprowadzone badania stabilizatora wykazały pełną przydatność zasto­

sowanej koncepcji. V/ układzie osiągnięto:

a) możliwość regulacji napięcia wyjściowego w zakresie od 50£150 V (na pięcia stałego),

(6)

108 H. Kolka, D. Cygankiewicz, J. Debudaj

b) możliwość zmian napięcia wejściowego v/ zakresie od 180r250 V Iwar- tość skuteczna napięcia zmiennego),

c) zakres zmian poziomu ograniczenia prądowego od 1f5 A,

d) współczynnik stabilizacji napięcia wyjściowego przy zmianach + 20%

Uwe ” rzedu 0,04%,

e) oporność wyjściową rw y < 4 . 10~^ R0 ,

f) pulsację napięcia wyjściowego X . =» ^— 22^1 0,05%

AU

ośr g) częstotliwość pracy 15f20 kHz,

h) sprawność układuij ^-90%.

2. Mimo, iż moc wyjściowa układu jest rzędu 700 W, układ ten posiada małe wymiary Iwraz z układami zabezpieczeń i sterowania posiada objętość mniejszą od dwóch decymetrów sześciennych).

3. Wybór częstotliwości pracy umożliwił znaczne zmniejszenie efektów aku­

stycznych - tak kłopotliwych do wytłumienia w stabilizatorach impulso­

wych.

4. Przyjęcie Iw trakcie projektowania układu) dużej wartości prądu kry­

tycznego pozwoliło na znaczne zmniejszenie wymiarów dławika, przy rów­

noczesnym polepszeniu zachowania się układu w stanach dynamicznych ob­

ciążenia i dociążenia.

5. Gdyby istniała potrzeba zmniejszenia wartości składowej zmiennej napię­

cia wyjściowego, to można to uzyskać rozbudowując zaproponowany w arty­

kule układ o dodatkowy człon ciągły, który będzie pracował jako filtr czynny Iprzy małym spadku napięcia na tym układzie).

6. Opracowane impulsowe ograniczenie prądu może być stosowane w większo­

ści impulsowych stabilizatorów napięcia i spełniać tam rolę startu o- raz zabezpieczenia przed przeciążeniem lub zwarciem.

Przedstawiony w artykule układ może znaleźć szerokie zastosowanie w za­

silaczach laboratoryjnych. Może on także służyć do zasilania szeregu urzą­

dzeń elektronicznych, których warunki pracy są zbliżone do tych, jakie by­

ły rozpatrywane przy projektowaniu i budowie omówionego stabilizatora.

(7)

Stabilizator Impusowy o dużym zakresie zmian napięcia. 109

LITERATURA

[ 1 ] Hhatek E.R. t Disign of solid-state power supplies, Van Nostrand Rein­

hold Campany 1971.

[2] Kolka H.! Projektowanie impulsowych stabilizatorów napięcia, Irozpra- wa habilitacyjna - w przygotowaniu).

[3] Pałczyński B., Stefański W. i Półprzewodnikowe stabilizatory napięcia i prądu stałego, MON Warszawa 1971..

[4] Manuel d»applications C.I.L. Tome 2, Régulateurs de Tension - Cat.

Sescosem 1972.

[5] Linear integrated circuits - cat. Sescosem 1972.

[ó] Cygankiewicz D., Debudaj J.s Praca dyplomowa w Instytucie Elektroniki, 1975 r.

[7] Hewlett-Packard Journal april 1973, High Effieciency Modular Power Sup­

plies Using Switching Regulators.

HMnyjIbCHHiî HCT09HHK HHTAHHH

C

BOJIHUOM ®!AnA30H0M H3MEH BHXOÄHOrO HAnPiDiCEHHH

P e a » M e

B c T a T t e H 3Jiara»TCH npoöjieuu B 0 3 HHKax>trçHe n p a n p o e K T H p o B a H H H HunyjitCHUx H C T O V H H K O B C H T a H H H C ÖO-HBIUHM A H a n a 3 0 H 0H H S U e H e H H Ü B X 0 A H 0 T 0 H B U X O A H O r O H a - n p a s e H H a . IlpeAa a r a e T C Ä p e m e H H e o r u x npoÖJieM H a n p a u e p e H 3 roTOBJieHHH minyjiBo- H o r o H C T O H H H K a H H T a H H H peAyhHpyioąero H a n p a a e H H e H e n o c p e A C T B e H H o H 3 ceiH.

SWITCHING VOLTAGE REGULATOR WITH LARGE OUTPUT VOLTAGE CHANGING RANGE

S u m m a r y

The paper presents project problems related to the switching voltage regulators with large range of output voltage changes.

Cytaty

Powiązane dokumenty

Ze spół na pię cia przed mie siącz ko we go (pre men stru - al syn dro me – PMS) jest gru pą psy chicz nych i so ma tycz - nych ob ja wów sko ja rzo nych z fa zą lu te al ną

Je śli pa cjent ka ma do stęp do opie ki wie lo - spe cja li stycz nej, to z dia gno stycz ne go i te ra peu tycz ne go punk tu wi dze nia jest to ko rzyst ne dzię ki mo żli wo ści

Ze względu na moŜliwość generowania zakłóceń EM, zaleca się montaŜ urządzenia moŜliwie w jak największej odległości od odbiornika radiowego oraz innych

Przedsta- wione w poprzednich pracach autorów [3, 4] wyniki badań dotyczyły analizy wpływu stanu magistrali danych, argu- mentu rozkazu, wyniku operacji, adresu rozkazu w pamięci

Pomiar wpływu napięcia zasilania na fwy powinien być wykonany podobnie jak pomiar wpływu napięcia zasilania na Uwy z tym tylko, że zamiast woltomierza w.cz.. Zmieniając

W pracy porów nano pracę dwóch układów regulacji napięcia: z falow nikiem napięcia oraz z falow nikiem prądu. W niniejszej pracy zm odyfikow ano układ

III - pom iar (rejestracja) napięcia pow rotnego U p (na rozw artych zaciskach badanej próbki), trw ający na tyle długo, aby m ożliw e było zaobserw ow anie m aksim um

Wosióski komutacyjny w układzie modelowym pracuje przy czasie zwłoki d t z &lt; Tk z tym, że maksymalna wartość prądu oboiążenia IQ max w chwilach tg i tg jest